Лопасти для ветрогенератора своими руками
Добавил пользователь Дмитрий К. Обновлено: 05.10.2024
Существующие цены на ветрогенераторы и окупаемость не соответствуют возможностям большинства владельцев загородных домов, дачных участков. Жителям отдаленных районов, где сетевой электроэнергии до сих пор никогда не было, приобрести подобное оборудование еще сложнее, поскольку они лишены информации о нем и не могут получить достаточно подробные сведения о качестве, характеристиках и прочих параметрах оборудования для использования энергии ветра.
Приходится изготавливать ветровые устройства самостоятельно, опираясь на экспериментальные результаты или отрывочные сведения, почерпнутые из разных источников. Рассмотрим важный вопрос, возникающий при создании ветряка — устройство лопастей.
Как работает простой ветрогенератор?
Существует два типа ветрогенераторов:
Разница состоит в расположении оси вращения. Наиболее производительными считаются горизонтальные конструкции, напоминающие своими формами самолет с пропеллером. Винт — это крыльчатка ветряка, хвост — устройство наведения на поток ветра, автоматически разворачивающее ось по направлению движения воздуха.
При воздействии ветра на крыльчатку возникает вращающий момент, передающийся на ось генератора. В его обмотках возбуждается электроток, который заряжает аккумуляторные батареи. Они, в свою очередь, отдают заряд на инвертор, изменяющий параметры тока и выдающий на потребляющие приборы стандартное напряжение 220 В 50 Гц.
Существуют более простые комплексы, где с генератора запитываются сразу потребители, но такая система никак не защищена от скачков или пропадания напряжения. Вариант используется только для освещения или привода насосов, качающих воду.
Какая форма лопасти является оптимальной?
Основной элемент горизонтального ветряка — крыльчатка. Она больше всего напоминает пропеллер, хотя выполняет абсолютно противоположные функции. Лопасти принимают на себя энергию воздушного потока, перерабатывая ее во вращательное движение. От их конфигурации напрямую зависит эффективность работы крыльчатки и всего комплекта в целом.
Важно! Большое число лопастей увеличивает фронтальную нагрузку на устройство, создавая опрокидывающее усилие на основании мачты и сильное осевое давление на крыльчатку, разрушающее подшипники генератора.
На практике создано большое количество разных устройств, имеющих форму крыльчатки от простых секторов окружности, немного развернутых по радиусной оси, до сложных вариантов с тщательно просчитанной аэродинамикой, испытанных в разных условиях. Результаты испытаний показали, что оптимальной формой является модель, приближенная к пропеллеру. Такая лопасть несколько расширяется от центра (обтекателя) крыльчатки и плавно сужается к концу.
Преимуществом этого вида является равномерное распределение нагрузок на опорный подшипник, поверхность лопасти и всю систему ветряка в целом. Поток ветра воздействует на все участки с одинаковой силой, но, если расширить лопасть к концу, то получится достаточно длинный рычаг, перегружающий подшипник и выламывающий лопасти. Отсюда возникла такая форма, с небольшими изменениями используемая практически на всех ветряках.
Вариантов или видов лопастей для горизонтальных ветряков существует немного. Причина этого кроется в самой конструкции крыльчатки — создавать сложные формы или конфигурации там попросту негде. Тем не менее, разработки наиболее удачного варианта ведутся постоянно, на сегодня можно выделить несколько видов:
Твердые лопасти изготавливаются из различных материалов сразу в определенной форме, парусные имеют совершенно другую конструкцию. Основой является рамка, на которую натягивается плотное полотно таким образом, чтобы одна из сторон была не прикреплена к рамке. Получается лопасть треугольной формы с одной стороной (от центра к одной из вершин), не закрепленной к основе.
Поток ветра создает давление на парус и придает ему оптимальную форму для схода с плоскости, в результате чего колесо начинает вращаться. Вариант имеет преимущество в массе и весе колеса, но нуждается в постоянном наблюдении за состоянием ткани и крыльчатки в целом.
Для самостоятельного изготовления обычно используют подручные материалы. Учитывая сложный профиль лопастей, хорошим вариантом становится использование листового металла или пластиковых труб.
Расчет лопастей
На практике мало кто вычисляет параметры лопастей, поскольку для этого надо обладать специальной подготовкой и располагать данными. Большинство значений, нужных для расчетов, необходимо сначала отыскать, некоторые из них и вовсе будут известны только после запуска ветряка. Кроме того, для большинства видов до сих пор нет математической модели вращения, что делает расчеты бесполезными.
Чаще всего производится подбор диаметра крыльчатки по требующейся мощности, выполняемый по таблице:
Как вариант, можно использовать онлайн-калькулятор, позволяющий получить готовый результат за секунды, надо только подставить в окошечки программы собственные данные.
Необходимо учитывать, что расчеты такого устройства, как крыльчатка, не будут иметь достаточной точности из-за большого количества тонких эффектов и неизвестных величин, поэтому, чаще всего, прибегают к экспериментальному подбору формы и размера.
Материал для изготовления
Прежде, чем начать работы по созданию крыльчатки, надо определиться с материалом. Выбор производится из того, что имеется в наличии, или из материалов, более знакомых пользователю и доступных для обработки. Требования к материалу для изготовления лопастей:
- прочность
- малый вес
- легкость обработки
- возможность придания нужной формы или наличие ее у заготовки
- доступность
Из всех возможных вариантов опытным путем были выделены несколько наиболее удачных. Рассмотрим их подробнее.
Трубы ПВХ
Использование канализационных труб ПВХ большого диаметра позволяет быстро и недорого получить вполне качественные лопасти. Пластик не боится воздействия влаги, легко обрабатывается. Самым ценным качеством является наличие у заготовки формы ровного желоба, остается лишь правильно отрезать все лишнее.
Простота изготовления и дешевизна материала в сочетании с эксплуатационными качествами пластика сделали трубы ПВХ самым ходовым материалом при изготовлении самодельных ветряков. К недостаткам материала можно отнести его хрупкость при низких температурах.
Алюминий
Лопасти из алюминия долговечны, прочны и не боятся никаких внешних воздействий. При этом, они тяжелее, чем пластиковые и требуют тщательной балансировки колеса. Кроме того, работа с металлом, даже таким податливым, как алюминий, требует наличия навыков и подходящего инструмента.
Затрудняет работу и форма материала — чаще всего используется листовой алюминий, поэтому мало изготовить лопасти, надо придать им соответствующий профиль, для чего придется сделать специальный шаблон. Как вариант, можно сначала изогнуть лист по оправке, затем приступить к разметке и резке деталей. В целом, материал более устойчив к нагрузкам, не боится температурных или погодных воздействий.
Стекловолокно
Такой выбор — для специалистов. Работа со стекловолокном сложна, требует навыков и знания множества тонкостей. Порядок создания лопасти включает в себя несколько операций:
- изготовление деревянного шаблона, покрытие его поверхности воском, мастикой или иным материалом, отталкивающим клей
- изготовление одной половины лопасти. На поверхность шаблона наносится слой эпоксидки, на который тут же укладывается стеклоткань. Затем снова наносится эпоксидка (не дожидаясь засыхания предыдущего слоя) и опять стеклоткань. Таким образом создается одна половина лопасти нужной толщины
- подобным образом изготавливается вторая половина лопасти
- после застывания клея половинки соединяются при помощи эпоксидки. Стыки зашлифовываются, в торец вставляется втулка для присоединения к ступице
Технология сложна, требует времени и умения работать с материалами. Кроме того, эпоксидная смола имеет неприятное свойство закипать в больших объемах, что создает постоянную угрозу испортить всю работу. Поэтому выбирать стеклоткань следует только опытным и подготовленным пользователям.
Древесина
Работа с деревом достаточно хорошо знакома для большинства пользователей, но создание лопастей — задача достаточно сложная. Мало того, что форма изделия сама по себе непроста, так еще и потребуется изготовить несколько одинаковых неотличимых друг от друга образцов.
Решение такой задачи по плечу далеко не всем. Кроме того, готовые изделия надо качественно защитить от воздействия влаги, пропитать олифой или маслом, покрасить и т.д.
Древесина обладает массой отрицательных качеств — она склонна к короблению, растрескиванию, гниению. Впитывает и легко отдает влагу, что изменяет массу и баланс крыльчатки. Все эти свойства делают материал не лучшим вариантом выбора для домашнего мастера, поскольку лишние осложнения никому не нужны.
Создание лопастей поэтапно
Рассмотрим наиболее распространенный вариант изготовления лопастей. В качестве материала используется труба ПВХ диаметром порядка 110-160 мм:
- отрезаются куски трубы по длине лопастей
- вдоль отрезка наносится линия, от которой в обе стороны отмеряются 22 мм. Получится 44 мм — ширина одной лопасти
- с противоположного торца делается то же самое
- крайние точки с одной стороны центральной линии соединяются по прямой. Со второй стороны наносится рисунок формы лопасти
- вырезается лопасть, свободный конец аккуратно закругляется, кромки обрабатываются наждачной бумагой или напильником
- лопасти присоединяются к ступице
Форма лопастей имеет следующее строение:
- торцевые части одинаковы по ширине — 44 мм
- посередине ширина лопасти составляет 55 мм
- на расстоянии 0,15 длины ширина лопасти составляет 88 мм
Полученные точки соединяются прямой линией, затем оформляются более плавными переходами, руководствуясь полученными очертаниями. Изготавливается шаблон, по которому вырезаются все лопасти, имеющие одинаковую форму. Для присоединения к ступице необходимо просверлить пару отверстий под винты (шурупы).
Они должны на всех лопастях находиться в одинаковых точках, чтобы не нарушался баланс крыльчатки. Готовое колесо требуется тщательно отбалансировать, установив его на ось и, свободно вращая, отыскать участок с нарушениями баланса. В этом месте следует понемногу стачивать лопасть до момента полного уравновешивания крыльчатки.
Настоящий ветрогенератор — это слишком дорого в том случае, если его планируется использовать для решения простых домашних задач, не требующих большой мощности. Если всё, что нужно — это немного энергии для LED-освещения или для проекта, основанного на Raspberry Pi Zero, это как-то несоразмерно довольно серьёзным деньгам, которые придётся заплатить даже за небольшой ветряк. То же касается и школьных экспериментов, время и деньги, уходящие на организацию которых, обычно стараются свести к минимуму. Школы часто стеснены в средствах.
Домашний ветрогенератор
Турбина начинает вращаться при достижении ветром силы, примерно соответствующей 2 баллам (около 6 км/ч) по шкале Бофорта (смотрите таблицу ниже). Если сила ветра достигает 5 по шкале Бофорта (около 30 км/ч), турбина даёт около 1 ватта мощности (по нашим измерениям — 147 мАч при 6,7 В).
Шкала Бофорта (по материалам Википедии)
| Баллы Бофорта | Словесное определение силы ветра | Средняя скорость ветра | ||
| м/с | км/ч | узлов | ||
| 0 | Штиль | 0—0,2 | Материалы и инструменты | |
- Ножовка или электролобзик для резки тонких PVC-труб.
- Дрель со свёрлами для пластика и металла.
- Отвёртка и/или гаечный ключ и комплект насадок, подходящих для используемых винтов, гаек, болтов.
- Паяльник и припой.
Делаем ветрогенератор из велосипедного колеса
Начнём работу над ветрогенератором. Мы будем пользоваться мачтой, сделанной из стальной водопроводной трубы, которая, возможно, будет закреплена в земле с помощью бетона. Принимая решение о высоте мачты и о способе её крепления стоит почитать местные законы. Возможно, в зависимости от условий эксплуатации генератора, мачту понадобится закрепить с использованием растяжек.
▍1. Вырезание лопастей турбины
Мы использовали тонкостенные канализационные PVC-трубы (Рис. A). В Германии, где я живу, такие трубы окрашены в оранжевый цвет, в Северной Америке такие трубы обычно белого цвета.
Мы, с использованием пилы, можем вырезать 4 лопасти из одной двухметровой трубы (Рис. B). Нам нужно 8 лопастей. Постарайтесь резать трубы точно по центру. В идеале все лопасти должны иметь одинаковый вес.
▍2. Прикрепление лопастей к генератору
В роли генератора мы используем велосипедное колесо (обод) с закреплённым в нём генератором (Рис. C). Лучше всего подходят колёса с алюминиевым ободом, так как их легче сверлить. Если вы взяли колесо от старого велосипеда — не забудьте снять с него шину, камеру и тормозные диски.
Прикрепите к колесу лопасти так, как показано на Рис. D, используя 2 винта, гайки и большие шайбы. Лопасти должны быть распределены по ободу равномерно (возможно, вам в этом поможет подсчёт количества спиц между лопастями) и выровнены по центру обода.
▍3. Сборка мачты
Мачту мы будем делать из оцинкованной стальной водопроводной трубы с резьбой на обоих концах. В торцевой заглушке (Рис. E) надо просверлить 9-миллиметровое отверстие и прикрутить колесо к заглушке, пропустив через это отверстие ось генератора с резьбой (Рис. F ниже). После того, как мачта будет надёжно закреплена (!), можно прикрутить к ней заглушку.
В деле надёжной установки мачты может пригодиться тройник, прикрученный к той части трубы, которая будет закреплена в земле и залита бетоном. Тройник позволит надёжно зафиксировать мачту в бетоне. При этом вес бетона должен быть достаточно большим для того чтобы поддерживать и фиксировать мачту. Вся конструкция должна быть надёжно закреплена. В результате, если ожидается буря, можно просто открутить нижнюю часть мачты от бетонного основания и убрать турбину в безопасное место.
Не стоит недооценивать силу, с которой ветер воздействует на окружающие предметы. Эта сила возрастает пропорционально кубу (третьей степени) скорости ветра! Поэтому, если нужно, зафиксируйте мачту с помощью растяжек.
▍4. Сборка электронных компонентов
Наша ветроэлектростанция рассчитана на зарядку свинцово-кислотного аккумулятора с помощью тока, генерируемого динамо-машиной. Используемый нами электрогенератор вырабатывает переменный ток, который мы преобразуем в импульсный постоянный ток, используя мостовой выпрямитель. Этот ток, для его сглаживания, передаётся на два электролитических конденсатора ёмкостью 2200 мкф.
Сглаженный постоянный ток затем подаётся на повышающе-понижающий преобразователь (на eBay он стоит примерно $10), который используется в роли регулятора зарядки аккумулятора. Он преобразует входное напряжение, находящееся в диапазоне от 1,25 до 30 В, в заданное постоянное напряжение. Мы установим выход конвертера на 0,7 вольта выше конечного напряжения заряда аккумулятора (для компенсации прямого напряжения диода). Диод 1N4007 нужен для того чтобы предотвратить обратный ход тока от аккумулятора к конвертеру.
Например, 6-вольтовый свинцово-кислотный аккумулятор имеет напряжение зарядки 7,2 В. Учитывая необходимость добавления прямого напряжения диода, которое равняется 0,7 В, конвертер нужно установить на выходное напряжение в 7,9 В.
Электрическая нагрузка (это может быть что угодно, например — светодиод) будет подключена к выходам аккумулятора. Учитывайте то, что эта нагрузка должна поддерживать выходное напряжение, установленное на конвертере. Сам генератор может быть способен дать лишь небольшой ток, а батарея может выдать несколько ампер. Последствия короткого замыкания могут быть весьма печальными (может случиться пожар). Для того чтобы предотвратить несчастные случаи, нужно, независимо от того, что именно вы подключаете к ветрогенератору, принимать соответствующие меры безопасности.
Штормовое предупреждение!
После того, как электронные компоненты генератора собраны, всё готово к тому, чтобы превратить силу ветра в электроэнергию! Теперь перед вами раскрываются возможности владельца ветрогенератора.
Наш генератор, правда, это всего лишь экспериментальное устройство, недорогая практическая демонстрация принципов работы ветряных турбин, которая может найти применение, например, в школах. Эта турбина не рассчитана на работу при сильном ветре. Когда турбина не используется, или если сила ветра превышает 6 по шкале Бофорта, всю конструкцию нужно разобрать и куда-нибудь спрятать.
Велосипедное колесо и лопасти из труб не рассчитаны на постоянное использование, в особенности — при сильном ветре. Вы можете сами усилить конструкцию в том случае, если хотите, чтобы ветрогенератор работал бы на постоянной основе. (Правда, надо сказать, что моя конструкция оказалась прочнее, чем я ожидал. Я оставил её в саду и она работала там при любой погоде — до тех пор, пока не вышла из строя одна из растяжек. Тогда мачта рухнула и сломалась одна из лопастей турбины.)
Если вас интересует тема ветрогенераторов — можете взглянуть на этот материал и посмотреть это видео. Загляните на этот сайт, посвящённый генератору Chispito. Вот и вот — ещё пара полезных ресурсов.
Читайте также: